中山大学新研究！管虫鳃丝被动弯曲实现高效滤食的机制

更新时间：2025-12-26

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管虫（Annelida: Sabellidae）为悬浮滤食的多毛纲动物，借助辐射状鳃冠从海水中过滤悬浮颗粒或微小生物，维持生长与繁殖。“衣食住行"，关于“衣"与“住"，已有研究团队揭示了它们借助粘液分泌构筑管状栖居结构，并在复杂流场中选择与改造微环境。作者团队也在“行"这一章节进行了大量研究，系统解析了管虫如何通过形态和行为调整在水流环境中实现移动和微调。将这些章节串联起来，可以更清晰地看到一个核心问题——“食"为什么更值得深入？在真实海洋里，多相颗粒谱、脉动湍流与营养梯度共同作用，管虫鳃冠既是机械的过滤器，又承担着与颗粒相互作用的微尺度物理过程和生理响应。弄清管虫如何在这种复杂耦合下保持高效滤食，不仅是满足基础生态学空白的必要步骤，也可能为污染监测、生态修复和仿生过滤器设计提供新思路。

近期，中山大学吴嘉宁副教授团队揭示了管虫的灵活鳃丝被动弯曲实现高效滤食的机制，为海洋滤食性生物的过滤机制提供了新见解，并有望为开发仿生水下颗粒捕获器提供新的灵感。研究成果以“Flexible filaments of a fan worm make filtration functionally flexible"为题发表在期刊《Cell Reports Physical Science》上。中山大学硕士研究生陈欣欣为作者，中山大学吴嘉宁副教授和王剑颖副教授为共同通讯作者。

管虫是一种固着型多毛类悬浮滤食动物，通常栖息于由自身分泌的粘液构成的固定粘液管中。其鳃冠由辐射状的鳃丝组成，且鳃丝两侧由羽状小片（即小羽），兼具水下呼吸与滤食的双重功能。在复杂水流环境中，管虫鳃丝能通过适应性弯曲形态响应水流变化。环境水流速度从静止上升至约0.46 m/s时，鳃丝呈现连续增强的弯曲形态。

管虫鳃丝的弯曲显著提高滤食效率，同时实现基于颗粒尺寸的选择性滤食。在PIV实验和多相流模拟中，当鳃丝发生弯曲时，对直径约3 µm颗粒的捕获数目达到212，相对于原始静水形态提高了117%。研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch^® S240，精度：10 μm）制备了管虫弯曲鳃丝样件。

更进一步，管虫对小于4 µm的颗粒显示出明显偏好。在这一粒径区间内，单位时间的捕获数目并不会无限增长，而是出现平台化——即发生了饱和效应，即管虫鳃丝具有尺寸选择性的滤食能力。

管虫鳃丝的弯曲通过微尺度流场调控增强其颗粒捕获能力和实现选择性过滤。当水流流过时，弯曲鳃丝在其背风侧诱导形成局部涡流，形成微尺度“颗粒陷阱"，延长颗粒在背风区的滞留概率，从而提高捕获效率。

与此同时，相邻小羽间的流体分离产生回流区与涡流，显著促进微小颗粒（1-4 µm）的滞留。此外，负压梯度进一步将微粒驱向滞留区域，促使颗粒在靠近小羽表面的区域聚集并增加与鳃丝的相互作用时间，提高捕获效率。因此，鳃丝弯曲并非单纯的几何改变，而是一种通过流场调控实现的“微流体策略"，将流体动力学与结构—表面相互作用耦合起来，打造出高效且有选择性的滤食机制。

进一步，研究团队还基于管虫鳃丝弯曲的高效滤食机制，开发了一个尺寸选择性滤食模型，该模型可以推广至与管虫一样具有类似过滤器官的生物，有助于预测不同水流环境中管虫对浮游生物和颗粒有机物的摄取能力。该模型既可评估自然界中扇形蠕虫的净化能力，也可用于评估受扇形蠕虫启发的滤食型水质监测机器人的净化效能。

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